Чем объяснить наличие тока насыщения у вакуумных фотоэлементов

13.04.202213.04.2022 admin 0 Comments

Фотоэлементы

Вакуумный фотоэлемент

2. Современный вакуумный фотоэлемент (рис. 136) состоит из стеклянной колбы, снабжённой двумя электрическими выводами. Внутренняя поверхность колбы покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода, который является катодом 1. Чтобы электроды фотоэлемента не окислялись, из колбы выкачан воздух, и она наполнена небольшим количеством инертного газа — гелия, также повышающего чувствительность фотоэлемента. Через специальное прозрачное «окно» свет может проникнуть внутрь колбы и выбить электроны из катода. Расположенная в центре колбы проволочная петля — анод 2 — соединяется с положительным полюсом источника тока и предназначена для улавливания вылетевших электронов. В цепи возникает электрический ток при попадании света на катод фотоэлемента. Изменяя освещённость, можно регулировать силу тока в цепи. Чем сильнее освещён катод, тем больше электронов вырывается из него и больше будет сила тока в цепи.

В современных технических устройствах широко используются полупроводниковые фотоэлементы, в основе работы которых лежит явление фотоэффекта, возникающего не на поверхности вещества, а внутри полупроводника при воздействии на него электромагнитного излучения. Полупроводниковые фотоэлементы имеют малые размеры и гораздо более чувствительны, чем вакуумные.

Вопросы для самопроверки

1. Какие энергетические преобразования происходят в фотоэлементах?

2. Каково устройство вакуумного фотоэлемента?

3. Приведите примеры применения фотоэлементов.

Источник

Электровакуумные фотоэлементы

Электровакуумный (электронный или ионный) фотоэлемент представляет собой диод, у которого на внутреннюю поверхность стеклянного баллона нанесен фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Анодом обычно является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. В электронных фотоэлементах создан высокий вакуум, а в ионных находится инертный газ, например аргон, под давлением в несколько сотен паскалей (несколько миллиметров ртутного столба). Катоды обычно применяются сурьмяноцезиевые или серебряно-кислородно-цезиевые.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются двух типов: электронные фотоэлементы и ионные фотоэлементы. В электронных фотоэлементах ток образуется только электронами, выходящими из катода под действием света. В ионных фотоэлементах ток фотоэмиссии увеличивается за счет возникновения несамостоятельного разряда. Устройство вакуумного фотоэлемента показано на рисунке 2. В стек- лянном баллоне, из которого выкачан воздух, помещены два электрода: катод К и анод А.

Рис. 2. Устройство вакуумного фотоэлемента

Катод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на внутреннюю

поверхность баллона. Анод изготовлен в виде кольца, расположенного в центре баллона. Выводы от катода и анода сделаны через ножку на нижний цоколь.

Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками. Анодные (вольт-амперные) характеристики электронного фотоэлемента I_ф = f(u_а) при Ф = const, изображенные на рис. 3, а, показывают резко выраженный режим насыщения. У ионных фотоэлементов (рис. 22.2,б) такие характеристики сначала идут почти так же, как у электронных фотоэлементов, но при дальнейшем увеличении анодного напряжения вследствие ионизации газа ток значительно возрастает, что оценивается коэффициентом газового усиления, который может быть равным от 5 до 12.Энергетические характеристики электронного и ионного фотоэлемента, дающие зависимость I_ф =f(Ф) при U_a = const, показаны на рис. 4. Частотные характеристики чувствительности дают зависимость чувствительности от частоты модуляции светового потока. Из рис. 5 видно, что электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни мегагерц, а ионные фотоэлементы (кривая 2) проявляют значительную инерционность, и чувствительность их снижается уже на частотах в единицы килогерц.

Рис. 3. Анодные характеристики электронного (а) и ионного (б) фотоэлемента

Рис. 4. Энергетические характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента

Рис. 5. Частотные характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлемента

Фотоэлемент обычно включен последовательно с нагрузочным резистором R_H (рис. 6). Так как фототоки очень малы, то сопротивление фотоэлемента постоянному току весьма велико и составляет единицы или даже десятки мегаом. Сопротивление нагрузочного резистора желательно также большое. С него снимается напряжение, получаемое от светового сигнала. Это напряжение подается на вход усилителя, входная емкость которого шунтирует резистор R_H. Чем больше сопротивление R_H и чем выше частота, тем сильнее это шунтирующее действие и тем меньше напряжение сигнала на резисторе R_H.

Рис. 6. Схема включения фотоэлемента

Электровакуумные фотоэлементы нашли применение в различных устройствах автоматики, в аппаратуре звукового кино, в приборах для физических исследований. Но их недостатки — невозможность микроминиатюризации и довольно высокие анодные напряжения (десятки и сотни вольт) — привели к тому, что в настоящее время эти фотоэлементы во многих видах аппаратуры заменены полупроводниковыми приемниками излучения.

Источник

Описание установки и содержание работы.

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ

Цель работы. Снятие вольт-амперной характеристики фотоэлемента и исследование зависимости возникающего в фотоэлементе фототока от потока излучения, падающего на чувствительную поверхность фотоэлемента.

Приборы и принадлежности. Фотоэлемент, микроамперметр, лампа накаливания, оптическая скамья с держателями для фотоэлемента и лампы, выпрямитель, потенциометр, вольтметр, соединительные провода, светофильтры.

Введение

Воздействие света на вещество состоит в сообщении веществу энергии, приносимой световой волной. Одним из проявлений воздействия света на вещество является внешний фотоэффект— испускание электронов веществом под действием света.

Явление фотоэффекта было открыто Герцем в 1887 г., а затем подробно изучено А. Г. Столетовым (1888 г.). Схема опыта А. Г. Столетова представлена на рис. 1. Поток света падает на конденсатор, состоящий из двух пластин. Одна представляет собой металлическую сетку (А), через которую свет может свободно попадать на вторую пластину, являющуюся катодом (К). Б — батарея, с помощью которой создается поле между пластинами конденсатора. А. Г. Столетов установил, что при освещении светом от электрической дуги пластина К теряет свой заряд; при этом гальванометр Г показывает наличие тока. Позднее было установлено, что пластина К. испускает электроны. Используемая в опытах Столетова схема представляет собой простейший фотоэлемент с внешним фотоэффектом. Пластина К носит название фотокатода, а пластина А — фотоанода. Испускаемые фотокатодом электроны называют фотоэлектронами, а возникающий электрический ток — фототоком.

На рис. 2 показана вольт-амперная характеристика фотоэлемента, т. е. зависимость силы фототока I от разности потенциалов φ₁ – φ₂ = U_A между фотокатодом и фотоанодом при Ф = const, где Ф — поток излучения.

Из рис. 2 следует, что с увеличением разности потенциалов U_A, называемой анодным напряжением, фототок растет, а затем достигает насыщения. Насыщение наступает при таком значении U_A, когда все электроны, испускаемые фотокатодом за единицу времени, достигают анода. Сила фототока насыщения

I_н=e·n, (1)

где е — заряд электрона, n — число электронов, попадающих
на анод за единицу времени.

Законы внешнего фотоэффекта. Приведем три основных
закона фотоэффекта.

I. При постоянном спектральном составе потока излучения
фототок насыщения пропорционален потоку излучения:

Зависимость (2) называется люкс-амперной характеристикой фотоэлемента, график ее представлен на рис. 3. Закон был
впервые сформулирован А. Г. Столетовым. Следует отметить,
что закон Столетова строго выполняется лишь для вакуумных
фотоэлементов.

Рис. 4.

Рис. 3.

(Е_к)_max

Закон Столетова можно объяснить, используя квантовую теорию света. Опираясь на гипотезу Планка, Эйнштейн предположил, что свет не только испускается, но и поглощается, в виде отдельных порций электромагнитного излучения, квантов энергии электромагнитного поля, получивших название фотонов.

Энергия фотона , где

— частота излучения.

II. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов
линейно возрастает с увеличением частоты падающего моно-
хроматического света.

Рассмотрим подробнее вольт-амперную характеристику
фотоэлемента. Из рис. 2 следует, что при U_A = 0 сила фототока . Это означает, что электроны, вырванные светом из катода, имеют некоторую скорость, а, следовательно, и кинетическую энергию , и могут достигнуть анода в отсутствие внешнего электрического поля. Чтобы прекратить фототок, т. е. сделать его равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₃,, при котором даже самые быстрые фотоэлектроны не достигнут анода, т. к. будут задержаны электрическим полем, т. е.

Меняя частоту падающего монохроматического света, можно найти зависимость f(ν)

Экспериментальные исследования показали, что эта зависимость является линейной:

где а — константа, b — зависит от материала катода.

График зависимости (4) показан на рис. 4 и свидетельствует о том, что с увеличением частоты падающего монохроматического света максимальная кинетическая энергия фото-
электронов возрастает. Линейный характер зависимости был
объяснен Эйнштейном на основе квантовых представлений о
природе света.

При падении фотонов на поверхность металла происходит взаимодействие фотонов и атомов. Согласно однофотонной теории фотоэффекта, атом получает энергию только одного фотона. Эта энергия расходуется на работу выхода электрона из металла и сообщения ему кинетической энергии.

В соответствии с законом сохранения энергии максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна

Здесь А — есть работа выхода электрона из металла, равная той наименьшей энергии, которую необходимо сообщить
электрону (атому) для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого вещества в вакуум в состояние с кинетической энергией равной нулю.

Выражение (5) носит название уравнения Эйнштейна для
внешнего фотоэффекта.

Сопоставление уравнений (4) и (5) позволяет сделать вы-
вод, что а = h, b = А, что объясняет результаты эксперимента.

III. Для каждого вещества существует красная граница
фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v₀, при которой
еще возможен внешний фотоэффект. Величина v₀ зависит от
химической природы вещества и состояния его поверхности.

При облучении вещества светом, длина волны которого λ > λ₀ (или частота ν ν₀), фотоэффект не наблюдается (см. рис. 4). Из рис. 4 следует, что (Е_к)_mах = 0 при ν = ν₀, следовательно согласно (5) имеем:

h · ν₀ = А ν₀ . (6)

Следует отметить, что при обычных интенсивностях света
при взаимодействии света с веществом в элементарном акте
поглощается один фотон. При больших интенсивностях, на-
пример в световых пучках, генерируемых лазерами, в элементарном акте взаимодействия могут поглощаться несколько
фотонов. Такое поглощение называется многофотонным
(см. 3).

Формула Эйнштейна в этом случае записывается следующим образом:

Соответственно красная граница смещается в сторону более длинных волн (λ₀ увеличивается в N раз), а формула (2), отражающая зависимость тока насыщения от потока излучения для многофотонных процессов приобретает вид:

Фотоэлементы. Устройство фотоэлементов.

Фотоэлементами называются устройства, в которых световая энергия преобразуется в электрическую. На внешнем фотоэффекте основано устройство фотоэлементов, широко при-
меняемых в разных областях техники. Фотоэлементы бывают
вакуумные и газонаполненные.

Вакуумный фотоэлемент (рис. 5) представляет собой стеклянный или кварцевый баллон, на внутреннюю стенку которого нанесен слой Ксветочувствительного щелочного металла. Этот слой Кимеет контакт с проводником, выведенным из баллона. В середине баллона расположено кольцо А, имеющее контакт с другим проводником, выведенным из баллона. Кольцо Асоединяется с положительным полюсом батареи (фотоанод), слой К—с отрицательным полюсом батареи (фотокатод). Электрическое поле направляет к фотоаноду фотоэлектроны, испускаемые фотокатодом при его освещении, создавая ток в цепи.

У вакуумных фотоэлементов, начиная с некоторого значения анодного напряжения, прекращается дальнейший рост тока, наступает состояние насыщения.

Газонаполненный фотоэлемент отличается от вакуумного тем, что он наполнен каким-либо инертным газом (Не, Ne, Ar). Эти фотоэлементы обладают большей чувствительностью, чем вакуумные, и ток насыщения в них отсутствует.

Описание установки и содержание работы.

В работе исследуются следующие основные характеристики фотоэлемента с внешним фотоэффектом.

1. Зависимость силы фототока от анодного напряжения
при постоянной освещенности (вольт-амперная характеристика фотоэлемента):

при ,

где .

2. Зависимость фототока от освещенности при постоянном анодном напряжении (люкс-амперная характеристика)

Величина фототока прямо пропорциональна освещенности;
в свою очередь, освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния r от источника света при нормальном падении светового пучка на фотокатод. Поэтому

Исследование производится при помощи установки, состоя-
щей из оптической скамьи, на которой расположен исследуемый фотоэлемент и электрическая лампочка. На рис. 6 показана принципиальная схема установки. Здесь Ф — исследуемый вакуумный фотоэлемент; ВУП-2 — выпрямитель универсальный полупроводниковый для питания анодной цепи; V —
вольтметр для измерения величины анодного напряжения:
μА — микроамперметр; Л — осветительная лампа.

Источник

1. Внутренний фотоэффект.

Работа различных полупроводниковых приёмников излучения (фото-резисторов, фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводнике происходит генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электропроводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводи-мости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна ( ) и не может заметно возрасти под действием излучения. В некоторых приборах за счёт фотогенерации электронов и дырок возни-кает ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике обра-зуются фотоны и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения.

2. Внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект представляет собой электронную эмиссию под действием электромагнитного излучения. Электромагнитный электрод при этом называют фотоэлектронным катодом (фотокатодом), а испускаемые им электроны – фотоэлектронами.

Рассмотрим законы и характерные особенности фотоэлектронной эмиссии.

Фототок , возникающий за счёт фотоэлектронной эмиссии, пропор-ционален световому потоку Ф.

= S∙ Ф (11.1)

где S – чувствительность фотокатода (мкА/Люм).

Если поток Ф монохромотичен, т.е. содержит лучи только одной длины волны λ, то чувствительность называют монохромотичной и обозначают . Чувствительность к потоку «белого» (немонохромотичес-кого) света, состоящего из лучей с разной длиной волны, называют интегральной и обозначают .

Чувствительность фотокатода зависит от длины волны излучения. Эта зависимость S = f(λ) называется спектральной характеристикой и может быть двух видов (рис. 11.1). Кривая 1 соответствует нормальному

Рис. 11.1. Спектральные характеристики фотокатода.

фотоэффекту, который наблюдается у толстых катодов из чистых металлов, а кривая 2 получается при селективном (избирательном) фотоэффекте, который характерен для тонких катодов из особо обрабо-танных щелочных металлов

При внешнем фотоэффекте энергия фотона (ℏυ) превращается в работу выхода и в кинетическую энергию вылетевшего электрона:

ℏυ = + 0,5 m (11.2)

где m и V – масса и скорость фотоэлектрона

υ – частота излучения

ℏ – постоянная Планка равная 6,63 ∙ Дж ∙ с

В) Красная или длинноволновая граница.

Для внешнего фотоэффекта существует красная или длинноволновая граница. Если уменьшать частоту излучения υ, то при некоторой частоте фотоэлектронная эмиссия прекращается, так как на этой частоте ℏ∙ = и энергия фотоэлектрона становится равной нулю. Частота соответствует длине волны = , где с = 3 ∙ . При υ или λ фотоэлектронной эмиссии не может быть, так как ℏ∙ υ ℏ∙ , т.е. энергии фотона недостаточно даже для совершения работы выхода.

Для фотоэффекта характерна малая инерционность, фототок запаз-дывает по отношению к излучению всего лишь не несколько наносекунд

Необходимо отметить, что чувствительность со временем постепенно уменьшается, т.е. наблюдается явление «усталости» фотокатода.

3. Электровакуумные фотоэлементы.

Свойства и особенности фотоэлементов отображаются их характеристиками:

А) Анодная характеристика электронного фотоэлемента = f ( ) при Ф = const показана на рис. 10.3. На рисунке виден резко выражен-ный режим насыщения.

Рис. 11.2. Конструкция электровакуумного фотоэлемента.

Рис. 11.3. Анодная характеристика электровакуумного фотоэлемента.

У ионных фотоэлементов такие характеристики (рис. 11.4.) идут сначала также как и у электровакуумных фотоэлементов, но при даль-нейшем увеличении анодного напряжения вследствие ионизации газа фототок значительно возрастает, что оценивается коэффициентом газового усиления (5 ÷ 12).

Б) Энергетические характеристики электронного и ионного фотоэлементов, т.е. зависимость = f (Ф) при = const показаны на рис. 11.5.

В) Частотные характеристики фотоэлементов показаны на рис. 11.6. Электронные фотоэлементы (линия 1) малоинерционны. Они могут работать на частотах в сотни МГц, а ионные (кривая 2) проявляют инерционность и чувствительность их уменьшается на частотах в единицы кГц.

Рис. 11.4. Анодная характеристика ионного фотоэлемента.

Рис. 11.5. Энергетические характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлементов.

Основные электрические параметры фотоэлементов:

— чувствительность электровакуумных фотоэлементов достигает десятков, а у ионных фотоэлементов достигает сотен

— темновой ток – это ток при отсутствии облучения. Он объясняется термоэлектронной эмиссией катода. Наличие этого тока ограничивает применение фотоэлементов при очень слабых световых сигналах.

Рис. 11.6. Частотные характеристики электронного (1) и ионного (2) фотоэлементов.

На рис. 11.7 показана схема включения фотоэлемента и его условное графическое обозначение.

Рис. 11.7. Схема включения фотоэлемента

4. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

ФЭУ представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством усиления фототока, за счёт вторичной электронной эмиссии.

Принцип работы ФЭУ показан рис. 11.8.

Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направ-

Рис. 11.8. Устройство и принцип работы ФЭУ.

ляются на , называемый динодом. Он является анодом по отношению к фотокатоду и одновременно является вторично-электронным эмиттером. Динод делается с сильной вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны выбивают из вторичные электроны, число которых в раз больше числа первичных электронов. Таким образом, ток вторичных электронов с = σ . Ток направляется на , имеющий больший потенциал. На за счёт вторичной эмиссии появляется ток , который в σ раз больше , т.е. = . В свою очередь направляется на , у которого потенциал ещё выше и от этого динода течёт ток = и т.д.